Gebruiken vogels het aardmagnetisch veld om te navigeren?

Ja. Vogels gebruiken het aardmagnetisch veld als kompas, en veel trekvogels gebruiken het waarschijnlijk ook als onderdeel van een kaart. Het vermogen is experimenteel aangetoond bij tientallen soorten, te beginnen met roodborsten in de jaren zestig, en het beste bewijs van dit moment wijst naar een lichtgevoelig eiwit in het oog, cryptochroom 4, als sensor. Hoe een vogel dat signaal omzet in een gevoel voor “noord” en “thuis” is een van de meest onderzochte vragen in de biologie.

Hieronder lees je wat wetenschappers met zekerheid weten, waarover nog discussie is en wat het betekent voor de vogels die in herfstnachten over je tuin trekken.

Kort antwoord: hoe vogels het magnetisch veld gebruiken

• Als kompas. Vogels kunnen uit het magnetisch veld een richting afleiden, ook als ze zon of sterren niet kunnen zien.
• Waarschijnlijk als kaart. De sterkte en de hellingshoek van het veld veranderen over de aarde, en experimenten wijzen erop dat sommige trekvogels die veranderingen lezen om te bepalen waar ze zijn.
• Waarschijnlijk via de ogen. Het kompas van zangvogels heeft licht nodig en lijkt te werken via een chemische reactie in eiwitten in het netvlies, de cryptochromen.
• Naast andere signalen. Vogels gebruiken ook de zon, de sterren, gepolariseerd licht in de schemering, landschapskenmerken en mogelijk geur. Het magnetisch zintuig is één stuk gereedschap in de kist, niet de hele kist.

Hoe weten we dat vogels het magnetisch veld kunnen voelen?

Het eerste overtuigende bewijs kwam uit Duitsland. Halverwege de jaren zestig plaatsten Wolfgang Wiltschko en collega’s roodborsten tijdens het trekseizoen in ronde oriëntatiekooien. Trekvogels in een kooi worden ‘s nachts onrustig, een gedrag dat met het Duitse woord Zugunruhe wordt aangeduid, en ze springen in de richting waarin ze zouden vliegen. Toen de onderzoekers met elektrische spoelen de richting van het magnetisch veld rond de kooi verdraaiden, draaiden de roodborsten hun springrichting mee.

Een veelgebruikt hulpmiddel voor dit soort werk is de Emlen-trechter, ontwikkeld door Stephen Emlen en John Emlen. Het is een kegel bekleed met papier; de vogel staat onderin op een inktkussen en laat voetafdrukken achter waar hij tegen de wand op springt. Tel de vlekken en je hebt een kaart van de richting waarin de vogel wilde.

Postduiven leverden een tweede bewijslijn. Begin jaren zeventig bevestigde William Keeton van Cornell kleine magneetjes op duiven en liet ze ver van hun hok los. Op zonnige dagen vonden de duiven met magneetjes net zo goed de weg naar huis als de controlegroep. Onder een bewolkte hemel raakten er veel gedesoriënteerd. Dat resultaat wees erop dat duiven op de zon vertrouwen als ze die kunnen zien en terugvallen op het magnetisch veld als dat niet kan.

Sindsdien is een magnetisch kompas aangetoond bij enkele tientallen soorten uit zeer verschillende groepen, van ‘s nachts trekkende grasmussen en vliegenvangers tot huishoenders. Omdat het voorkomt bij vogels die maar in de verte verwant zijn, denken de meeste onderzoekers dat het wijdverbreid is.

Wat voelt het magnetisch kompas van een vogel precies?

Hier verschillen vogels van het kompas in je handschoenenkastje. Een wandelkompas wijst naar het magnetisch noorden omdat de naald reageert op de polariteit van het veld. Het kompas van een vogel werkt anders.

Wat is een inclinatiekompas?

De magnetische veldlijnen van de aarde lopen niet vlak over de grond. Rond de evenaar zijn ze ongeveer horizontaal. Richting de polen hellen ze steeds steiler naar beneden, tot ze bijna recht de grond in wijzen. De Wiltschko’s lieten in 1972 zien dat roodborsten die hellingshoek lezen, de inclinatie, en niet de polariteit.

In de praktijk betekent dat dat een vogel geen magnetisch “noord” en “zuid” kent. Hij kent “poolwaarts”, de richting waarin de veldlijnen naar de grond duiken, en “evenaarwaarts”, de richting waarin ze oprijzen. Toen onderzoekers alleen de verticale component van het veld omkeerden, draaiden de roodborsten om. Toen ze de polariteit omkeerden maar de hoek gelijk hielden, maakte het de vogels niets uit.

Een inclinatiekompas heeft een interessante blinde vlek. Op de magnetische evenaar lopen de veldlijnen horizontaal, dus poolwaarts en evenaarwaarts zien er hetzelfde uit. Vogels die op de trek de evenaar oversteken, zoals veel Europese zangvogels op weg naar zuidelijk Afrika, moeten hun voorkeursrichting omdraaien zodra ze die passeren. Hoe ze dat precies doen wordt nog onderzocht, maar experimenten wijzen erop dat het ervaren van horizontale veldlijnen de omschakeling kan uitlokken.

Heeft het magnetisch kompas licht nodig?

Bij zangvogels wel. Roodborsten oriënteren zich normaal onder zwak blauw of groen licht en raken gedesoriënteerd onder rood of geel licht. Die lichtafhankelijkheid was een van de eerste sterke aanwijzingen dat de sensor chemisch is en in het oog zit, niet in een klompje ijzer ergens in de kop.

Waar zit de magnetische sensor in een vogel?

Tientallen jaren waren er twee belangrijke kandidaat-mechanismen. Het bewijs is voor het kompas inmiddels sterk naar één van beide doorgeslagen.

Het oog: cryptochromen en het radicaalpaar-idee

In 1978 opperde de natuurkundige Klaus Schulten dat vogels magnetisme zouden kunnen voelen via een reactie met een “radicaalpaar”. Als licht op bepaalde moleculen valt, kan het een elektron van het ene deel van het molecuul naar het andere verplaatsen, waardoor er twee ongepaarde elektronen ontstaan. Die elektronen hebben een spin, en het zwakke aardmagnetisch veld kan de balans tussen hun spintoestanden een klein beetje verschuiven. Die balans bepaalt op haar beurt welke chemische producten ontstaan. Als zulke moleculen in een geordende rij in het netvlies liggen, zou de uitkomst variëren met de richting van de kop ten opzichte van het veld.

In 2000 stelden Thorsten Ritz en collega’s voor dat eiwitten die cryptochromen heten het juiste soort molecuul waren. Cryptochromen absorberen blauw licht en komen voor in het netvlies van vogels.

Het sterkste bewijs tot nu toe kwam in 2021, toen een team onder leiding van Henrik Mouritsen en Peter Hore in Nature een studie publiceerde over cryptochroom 4, of Cry4, van roodborsten. Ze maakten het eiwit in het lab en toonden aan dat de door licht gestarte reacties gevoelig waren voor magnetische velden. Cry4 van de roodborst leek magnetisch gevoeliger dan de versies van kippen en duiven, die geen nachtelijke trekvogels zijn. Dat past bij het idee dat de evolutie het eiwit heeft verfijnd bij vogels die ‘s nachts navigeren.

Daarmee is de zaak nog niet gesloten. Magnetische effecten meten op een gezuiverd eiwit in het lab is niet hetzelfde als bewijzen dat dezelfde reactie het gedrag van een levende vogel stuurt. Maar Cry4 is nu de belangrijkste kandidaat.

Cluster N: een hersengebied voor nachtelijke navigatie

Een andere aanwijzing komt uit de hersenen. Bij ‘s nachts trekkende zangvogels wordt een gebied in de voorhersenen, Cluster N, sterk actief wanneer vogels zich ‘s nachts magnetisch oriënteren. Cluster N krijgt input van het visuele systeem. In een studie uit 2009 in Nature lieten Manuela Zapka en collega’s zien dat roodborsten met een beschadigd Cluster N hun magnetisch kompas niet meer konden gebruiken, terwijl ze zich nog wel op sterren en zon konden oriënteren. Dat past goed bij een sensor in het oog.

De snavel: wat is er met de ijzerhypothese gebeurd?

Het andere idee was dat vogels piepkleine kristallen magnetiet, een magnetisch ijzeroxide, met zich meedragen die met zenuwen verbonden zijn. Jarenlang werden clusters van ijzerrijke cellen in de bovensnavel van duiven voorgesteld als magnetoreceptoren. In 2012 liet een team onder leiding van David Keays in Nature zien dat die cellen vooral macrofagen waren, afweercellen die ijzer opslaan, en geen zintuigcellen.

Helemaal dood is het ijzeridee niet. Sommige studies wijzen erop dat een tak van de nervus trigeminus, die snavel en gezicht bedient, magnetische informatie doorgeeft die mogelijk helpt bij het kaartzintuig in plaats van het kompas. Het bewijs is wisselend, en de sensor, als die bestaat, is niet gevonden. Voorlopig is de eerlijke samenvatting: het kompas zit zeer waarschijnlijk in het oog; een apart magnetisch kaartzintuig bestaat mogelijk, en de hardware daarvan is onbekend.

Gebruiken vogels het magnetisch veld als kaart?

Een kompas vertelt je welke kant je op kijkt. Een kaart vertelt je waar je bent. Vogels die uit koers worden geblazen of door onderzoekers worden verplaatst, kunnen vaak bijsturen en koers zetten naar het juiste doel, en daarvoor is een zeker gevoel voor positie nodig.

Het magnetisch veld kan daarbij helpen. De totale sterkte is zwakker bij de evenaar en sterker bij de polen. De inclinatie verandert met de breedtegraad. De declinatie, de hoek tussen het magnetisch noorden en het geografisch noorden, verschilt over de wereld op een manier die kan helpen bij de lengtegraad. In principe kan een vogel die het patroon van die waarden kent zijn positie bepalen.

Verschillende experimenten ondersteunen dit. In een studie uit 2017 in Current Biology stelden Nikita Chernetsov en collega’s kleine karekieten in Rusland bloot aan een veranderde declinatie, terwijl al het andere gelijk bleef. De vogels heroriënteerden zich alsof ze ongeveer 1.000 km naar het westen waren verplaatst en pasten hun koers aan om dat te compenseren. Andere studies bij zeeschildpadden en zalmen laten vergelijkbare magnetische kaartvermogens zien, wat erop wijst dat de strategie oud is en door veel dieren wordt gedeeld.

Kaartgebruik is lastiger te testen dan kompasgebruik, dus verwacht dat dit onderzoeksgebied nog verandert. Het is redelijk om te zeggen dat veel trekvogels magnetische informatie lijken te gebruiken om hun positie te bepalen, vooral volwassen vogels die de trek al eens hebben gemaakt.

Hoe past het magnetisch zintuig bij andere navigatiesignalen?

Geen vogel vertrouwt alleen op magnetisme. Trekvogels jongleren met meerdere systemen en controleren ze tegen elkaar.

Het werk van Stephen Emlen in de jaren zestig liet zien dat jonge indigogorzen, een Noord-Amerikaanse zangvogel, het sterrenkompas leren door te kijken hoe de nachthemel rond de hemelpool draait. Later werk van Rachel Muheim en anderen wees erop dat zangvogels de band van gepolariseerd licht bij zonsondergang en zonsopkomst gebruiken om hun magnetisch kompas te ijken. De details verschillen per soort en sommige studies spreken elkaar tegen, maar het grote beeld is consistent: vogels combineren signalen en stellen het ene bij met het andere.

Hoe jonge vogels hun eerste reis volbrengen, lees je in onze gids over hoe vogels weten waar ze heen moeten trekken.

Kan menselijke technologie het magnetisch kompas van een vogel verstoren?

Een terechte zorg, en een van de interessantste resultaten in het vakgebied.

In 2014 publiceerden Svenja Engels en collega’s van de Universiteit van Oldenburg in Duitsland een studie in Nature, nadat ze hadden gemerkt dat hun gekooide roodborsten zich op de campus niet konden oriënteren. Toen ze de houten hutten bekleedden met geaarde aluminium schermen, die breedbandige elektromagnetische ruis in ruwweg het bereik van 2 kHz tot 5 MHz tegenhielden, oriënteerden de roodborsten zich normaal. Toen de schermen niet geaard waren of er weer ruis werd toegevoegd, raakten de vogels opnieuw de weg kwijt. De ruisniveaus lagen ver onder elke veiligheidsgrens voor mensen.

Het storende signaal was zwakke, breedbandige radiofrequente ruis, het soort dat gewone elektronica in een stad produceert, niet het magnetisch veld van hoogspanningslijnen of het signaal van één zendmast. Het is ook belangrijk om de reikwijdte helder te houden: dit was een laboratoriumopstelling met gekooide vogels. Hoeveel stedelijke elektronische ruis wilde trekvogels raakt die hoog boven steden vliegen, waar ze ook sterren en zon als signaal hebben, is niet bekend.

Ook zonneactiviteit kan meespelen. Sommige radarstudies van de trek in Noord-Amerika meldden dat er tijdens sterke geomagnetische stormen minder vogels vlogen, of dat meer vogels uit koers raakten, vooral onder bewolking. Dat zijn verbanden, en onderzoekers zoeken nog uit hoe belangrijk het effect is.

Gebruiken andere dieren het magnetisch veld?

Vogels staan zeker niet alleen. Een magnetisch zintuig is gevonden of sterk vermoed bij:

• Zeeschildpadden, die de magnetische signatuur van hun geboortestrand lijken in te prenten.
• Zalmen, die magnetische signalen mogelijk gebruiken om de monding van hun geboorterivier terug te vinden.
• Sommige zoogdieren, waaronder molratten en mogelijk sommige vleermuizen.
• Insecten, waaronder sommige trekkende vlinders en nachtvlinders.

Mensen hebben geen bevestigd magnetisch zintuig. Een paar experimenten meldden subtiele hersenreacties op veranderende magnetische velden, maar niets wat ons een bruikbaar kompas geeft.

Fabels en feiten over vogelnavigatie en magnetisme

Fabel: vogels hebben een piepklein kompasnaaldje in hun kop. Feit: het kompas van zangvogels reageert op de hoek van de veldlijnen, niet op hun polariteit, en het heeft licht nodig. Dat lijkt totaal niet op een naald.

Fabel: wetenschappers hebben de exacte magnetische sensor gevonden. Feit: cryptochroom 4 in het oog is de belangrijkste kandidaat voor het kompas, gesteund door sterk laboratoriumbewijs, maar de volledige keten van molecuul tot gedrag in een levende vogel wordt nog uitgezocht.

Fabel: vogels zien magnetische lijnen over de hemel geschilderd. Feit: dat is een redelijke hypothese omdat de sensor visueel lijkt te zijn, maar niemand weet wat de vogel ervaart. Illustraties van “magnetisch zicht” zijn gissingen van tekenaars.

Fabel: hoogspanningslijnen en zendmasten verpesten de vogeltrek. Feit: daar is geen goed bewijs voor. Zwakke breedbandige radioruis verstoorde gekooide roodborsten in één bekende studie. Botsingen met verlichte gebouwen en glas zijn veel beter gedocumenteerde bedreigingen. Lees meer in waarom vogels tegen ramen vliegen.

Fabel: jonge vogels leren de route van hun ouders. Feit: bij veel zangvogels vliegen eerstejaars alleen en ‘s nachts, volgens een aangeboren programma voor richting en afstand. Ganzen, kraanvogels en zwanen zijn anders; zij trekken in familiegroepen en leren de route.

Wat betekent dit voor vogelaars in de tuin?

De meeste zangvogels die je in het voor- en najaar in je tuin ziet, trekken ‘s nachts. Grasmussen, lijsters, vliegenvangers, roodstaarten en boszangers vertrekken na zonsondergang en vliegen urenlang, vaak op honderden meters tot enkele kilometers hoogte. Elk van hen leest onderweg een combinatie van sterren, magnetisme en geleerde signalen.

Een paar praktische lessen:

1. Licht uit telt zwaarder dan wifi uit. Fel kunstlicht in de nacht trekt trekvogels uit koers en de stad in, waar ze tegen glas vliegen. Onnodige buitenverlichting uitdoen tijdens de piek van de trek, ruwweg april en mei en september tot en met oktober in Nederland en België, is een van de eenvoudigste dingen die je kunt doen.
2. Maak je ramen zichtbaar. Vermoeide trekvogels landen bij zonsopkomst in tuinen om te eten. Buitenschermen, stippenpatronen en koorden helpen. Zie onze gids over hoe je voorkomt dat vogels tegen ramen vliegen.
3. Bied een rustplaats. Inheemse struiken, besdragende planten, bladstrooisel en een schoon vogelbad helpen trekvogels bijtanken. Onze gids over een kleine vogelvriendelijke tuin inrichten behandelt de basis.
4. Luister ‘s nachts. Op windstille herfstnachten hoor je vaak de dunne vluchtroepjes van overtrekkende vogels, in oktober bijvoorbeeld van koperwieken en zanglijsters. Veel vogelaars nemen ze graag op; ons stuk over waarom vogels ‘s nachts roepen legt uit wat je hoort.
5. Noteer wat er aankomt. Waarnemingen doorgeven via eBird, waarneming.nl, waarnemingen.be of trektellen.nl helpt onderzoekers de timing van de trek te volgen. Zo gebruik je eBird.

Voorbeelden van over de hele wereld

• Roodborst. De modelsoort voor onderzoek naar het magnetisch kompas. Noordelijke en oostelijke populaties trekken ‘s nachts naar Zuid-Europa en Noord-Afrika, terwijl veel roodborsten in West-Europa, ook in Nederland en België, blijven of maar kort trekken.
• Tuinfluiter en bonte vliegenvanger. Langeafstandstrekkers die ‘s nachts van Europa naar Afrika ten zuiden van de Sahara vliegen, gebruikt in experimenten naar aangeboren richtingen en de omschakeling bij de evenaar.
• Rosse grutto. Maakt non-stopvluchten van meer dan 11.000 km van Alaska naar Nieuw-Zeeland, zonder landschapskenmerken boven de open oceaan. Onderzoekers vermoeden een combinatie van hemel- en magnetische signalen. Europese rosse grutto’s rusten in grote aantallen in de Waddenzee. Zie welke vogel trekt het verst.
• Postduif. Gebruikt op heldere dagen het zonnekompas en bij bewolking het magnetisch veld, en gebruikt mogelijk geur als kaart dicht bij huis.
• Indigogors. Liet zien dat jonge vogels een sterrenkompas leren, een herinnering dat magnetisme maar één draad is.
• Pijlstormvogels en stormvogels. Oceaanzwervers waarbij geur een grote rol lijkt te spelen bij het terugvinden van hun broedeilanden, naast magnetische signalen.

Snelle feiten

• Het aardmagnetisch veld is zwak, ruwweg 25 tot 65 microtesla aan het oppervlak, afhankelijk van de plek. Een koelkastmagneet is honderden keren sterker.
• Het eerste experimentele bewijs voor een magnetisch kompas bij vogels kwam van gekooide roodborsten in Duitsland in de jaren zestig.
• Het kompas van zangvogels leest de helling van de veldlijnen, niet de noord- of zuidpolariteit.
• Het heeft licht nodig en werkt in laboratoriumstudies onder blauw en groen licht.
• Cryptochroom 4 in het netvlies is het belangrijkste kandidaat-molecuul.
• Een gebied in de voorhersenen, Cluster N, is nodig voor magnetische oriëntatie ‘s nachts bij trekkende zangvogels.
• Zwakke breedbandige radiofrequente ruis verstoorde het kompas van roodborsten in een laboratoriumstudie uit 2014.
• De ijzerrijke “magnetische” cellen die ooit in duivensnavels werden gemeld, bleken afweercellen te zijn.

Bronnen

• Magnetic sensitivity of cryptochrome 4 from a migratory songbird (Xu et al., Nature, 2021)
• Anthropogenic electromagnetic noise disrupts magnetic compass orientation in a migratory bird (Engels et al., Nature, 2014)
• Vogelbescherming Nederland
• Sovon Vogelonderzoek Nederland
• Trektellen.nl
• Cornell Lab of Ornithology: All About Birds